一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测方法及装置与流程

1.本发明属于氢系统泄漏监测领域，具体涉及一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测方法及装置。


背景技术：

2.氢气燃料由于分子很小，容易从储存的装置中溢出，且氢气的爆炸极限较宽(4vol.％～75vol.％)，安全问题比较严重。然而，汽车的燃料电池系统作为从氢燃料转化为电能的装置，使用氢作为该系统的燃料，当氢气泄漏达到一定浓度，若遇到高压直流电源的电弧或着火等情况，则会引发严重的安全问题。
3.目前，燃料电池汽车通常采用多点布置氢泄漏传感器(浓度传感器)来监测氢系统的泄漏问题，例如公开号为cn204020602u的中国实用新型专利，公开了一种汽车用氢气燃料电池的监控报警系统，其缺点是，采用的氢浓度传感器的启动时间及寿命都有一定的局限性，并且，当氢气泄漏量未达到故障报警阈值时，则无报警提示，存在一定安全隐患。
4.并且，燃料电池车辆在下电情况下，燃料电池不运行，无再给氢泄漏传感器提供工作电源，使氢泄漏传感器无法实时监测车辆氢气浓度，存在车辆下电停车过程中无法预警氢气泄漏的风险，此时若氢气泄漏，车辆旁边有火源，可能发生安全问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测方法及装置，用于解决现有采用浓度传感器检测氢气泄漏的方法存在安全隐患问题。
6.基于上述目的，一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测方法的技术方案如下：
7.所述氢系统包括储氢瓶和用于连接燃料电池的管路，储氢瓶出口的管路上设置高压压力检测模块及温度检测模块，且管路上减压阀后端设置有低压压力检测模块，所述泄漏预测方法包括以下步骤：
8.利用温度检测模块、高压压力检测模块和低压压力检测模块，实时获取当前时刻氢系统的温度、高压压力和低压压力，以及获取在燃料电池关闭时测得氢系统的温度t0、高压压力p
h0
和低压压力p
l0
；根据当前时刻氢系统的高压压力和温度，计算当前时刻剩余氢气质量；根据所述高压压力p
h0
和温度t0，计算初始剩余氢气质量；
9.若所述当前时刻氢系统的温度与温度t0的偏差在设定温度以内，计算并判断当前时刻氢系统的低压压力与低压压力p
l0
间的压力差值，当该压力差值大于或等于第一设定阈值时，判定存在微泄漏；
10.计算并判断所述当前时刻剩余氢气质量与初始剩余氢气质量间的质量差值，当该质量差值大于或等于第三设定阈值时，判定存在泄漏。
11.基于上述目的，一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测装置的技术方案如下：
12.包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的泄
漏预测方法。
13.上述两个技术方案的有益效果是：
14.本发明的泄漏预测方法及装置，通过检测燃料电池关闭时氢系统的低压压力、温度，然后在本次停车过程中和下次车辆上电后，都能够通过实时检测氢系统当前时刻的低压压力和温度，在当前时刻温度与检测燃料电池关闭时温度差距不大的情况下，能通过比较当前时刻的低压压力值和低压压力值p
l0
的大小，可靠的判断车辆是否发生氢气微泄漏，解决燃料电池停机或车辆长时间停放后氢气产生微泄漏无法检测的问题；或者，利用两次剩余氢气质量的差值，来判断是否发生氢气泄漏。
15.本发明的检测原理简单，容易实现，相对传统只能检测氢气大幅度泄漏的方法，本发明的方法则进行了较大的改善，解决燃料电池车辆泄漏氢气浓度未达到报警阈值时的故障判断，可及时检测氢气的微泄漏故障，降低安全风险，大大提高了车辆安全性，具有较高的市场应用前景。
16.进一步的，为了判别氢系统产生微泄漏的故障程度，还包括根据所述压力差值的大小判断微泄漏的故障程度，判断步骤如下：
17.当所述压力差值在[20％p
l0
，50％p
l0
]之间时，则报出氢气泄漏二级故障；其中，20％p
l0
为第一设定阈值，50％p
l0
为第二设定阈值；
[0018]
当所述压力差值大于50％p
l0
时，则报出氢气泄漏一级故障，禁止启动燃料电池。
[0019]
进一步的，为了判别氢系统产生微泄漏的故障程度，还包括根据所述质量差值的大小判断微泄漏的故障程度，判断步骤如下：
[0020]
当所述质量差值在[m
l
，mh]之间，则报出氢气泄漏二级故障；其中，m
l
为第三设定阈值，mh为第四设定阈值；
[0021]
当所述质量差值大于第四设定阈值时，报出氢气泄漏一级故障，禁止启动燃料电池。
[0022]
进一步的，为了在燃料电池运行状态下判别出氢气泄漏故障，该方法还包括：
[0023]
在燃料电池运行状态下，实时获取氢系统中各个位置设置氢浓度传感器采集的氢气浓度，当至少连续两个燃料电池运行周期内所述氢气浓度满足设定浓度范围时，判断存在氢气泄漏，上报氢气泄漏故障。
附图说明
[0024]
图1是本发明方法实施例中的燃料电池汽车氢系统示意图；
[0025]
图2是本发明方法实施例中的泄漏预测方法流程图；
[0026]
图中的标号说明如下：
[0027]
110，储氢瓶；111，瓶口组合阀；112，压力组合阀；1、6、7、15，浓度传感器；2，低压压力传感器；3，高压压力传感器；4，电磁阀；5，温度传感器；8，手动机械阀mvi1；9、17，单向阀；10，tprd(压力释放阀)；11，高压阀；12、19过滤器；13，减压阀；14，安全阀；16，金属软管；18，加氢口。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
[0029]
方法实施例：
[0030]
如图1所示的燃料电池汽车氢系统，包括储氢瓶110，储氢瓶110的出口直接安装组合的瓶口阀，瓶口组合阀111包括温度传感器5、tprd(10，压力释放阀，即温度驱动压力泄放装置)、手动机械阀mvi1(8)、电磁阀4、用于加氢的单向阀9和压力传感器3。其中，温度传感器5用于检测储氢瓶内的温度；tprd(10)为安全装置，用于达到特定温度条件时泄放瓶内氢气；手动机械阀(8)用于维修保养时手动关闭氢气供应；该瓶口组合阀中还包括电磁阀4和单向阀9，其中电磁阀4所在的管路和单向阀9所在的管路为并联关系，电磁阀4由氢系统控制器驱动实现氢的供应；高压压力传感器3用于检测从储氢瓶110出口处氢气的高压压力。
[0031]
减压组合阀102包括依次设置在管路上的过滤器12、减压阀13、低压压力传感器2、安全阀14，其中，过滤器12用于对流过的氢气进行过滤，减压阀13用于将高压气体进行减压，低压压力传感器2用于检测减压阀13出口的氢气低压压力。
[0032]
在瓶口组合阀111与压力组合阀112之间的管路上，还设置有手动放空阀11；压力组合阀112后的管路通过金属软管16连接燃料电池系统。图1中，瓶口组合阀111后端管路连接的另一支路上依次设置有过滤器19、单向阀17，加氢口18。
[0033]
其中，18加氢口用于和加氢枪连接，单向阀17为了防止加氢口失效后管路内氢气回流；过滤器19用于对流过的氢气进行过滤。图1中，压力组合阀112的前端设置有高压阀11，用于进行压力调节。
[0034]
图1中，浓度传感器1、6、7、15分别设置燃料电池系统的氢气管路接口、瓶口组合阀111上方、加氢口18上方和压力组合阀112上方，用于检测泄漏氢气的浓度。本实施例中的氢系统还包括一个氢系统控制器(hms)，该控制器分别采集连接浓度传感器1、6、7、15，低压压力传感器2，高压压力传感器3和温度传感器5，且该控制器控制连接电磁阀4。
[0035]
本实施例中，氢系统控制器的主要作用为根据采集的相应数据，如压力、温度、浓度等，进行氢气泄漏预测，实现氢系统的泄漏预测方法，进行车辆氢系统的全状态监测，从而避免安全事故的发生。
[0036]
基于上氢系统，本实施例提出一种泄漏预测方法，其整体流程如图2所示，该方法包括微泄漏预测和泄漏故障监测这两方面，其中，微泄漏预测用于燃料电池车在停放过程中的氢气泄漏预警，泄漏故障监测用于燃料电池车在运行中氢系统的状态监测，下面分别阐述如下：
[0037]
(1)燃料电池车停放过程中的微泄漏预测
[0038]
当燃料电池关闭时，瓶口组合阀111关闭，控制器通过高压压力传感器3、温度传感器5和低压压力传感器2，分别采集组合阀后管路中测得氢气的初始高压压力p
h0
、初始温度t0和减压器(减压阀13)后的初始低压压力p
l0
；当整车关闭时，氢系统控制器存储关闭时的高压压力p
h0
、低压压力p
l0
和基于真实气体状态方程计算初始剩余氢气质量m0，并将这些数据存储在控制器内，用于进行微泄漏预测。微泄漏预测的步骤如下：
[0039]
s1)实时获取高压压力传感器3采集的高压压力ph1，低压压力传感器2采集的低压压力pl1，温度传感器5采集的温度t1；然后通过高压压力ph1和温度t1，基于真实气体状态方程计算剩余氢气质量m1，计算公式如下：
[0040]
[0041]
式中：
[0042]
m1——氢系统内氢气质量，g；
[0043]
v——氢系统容积，单位l；
[0044]
t——氢系统温度，单位℃；
[0045]
p——高压压力，单位mpa；
[0046]
s2)判断燃料电池是否正在运行，若不运行，则获取上次燃料电池关闭时氢系统的高压压力p
h0
、低压压力p
l0
和温度t0，判断温度t1和温度t0之差，若差值在设定温度以内，如35℃，则判断两次低压压力差值(p
l1-p
l0
)与低压压力p
l0
的比值是否小于某个设定阈值，例如20％，若小于，则不存在微泄漏；若该比值大于或等于20％，则判定存在微泄漏。
[0047]
在此情况下继续进行判断，若该比值在某个范围之间，如在[20％，50％]之间，则报出氢气泄漏二级故障；若该比值大于50％，则报出氢气泄漏一级故障，禁止启动燃料电池，不允许打开氢气供应，维修检测后才能继续使用。氢系统控制器锁存每次燃料电池关闭时检测的氢系统的高压压力p
h0
、低压压力p
l0
、剩余氢气质量m0。
[0048]
s3)若燃料电池不运行，则获取上次燃料电池关闭时氢系统的剩余氢气质量m0，判断两次剩余氢气质量之差m
hms
(m
hms
＝m
0-m1)是否小于设定质量阈值，如0.5kg，若小于，则不存在微泄漏；若该质量之差在某个范围[m
l
，mh]之间，如在[0.5kg，1kg]之间，则报出氢气泄漏二级故障；若该质量之差大于1kg，则报出氢气泄漏一级故障，禁止启动燃料电池。氢系统控制器锁存每次燃料电池关闭时检测的氢系统的高压压力p
h0
、低压压力p
l0
、剩余氢气质量m0。
[0049]
上述步骤中，步骤s2)和步骤s3)不存在先后顺序，可并行执行，互不影响。
[0050]
采用上述步骤能够实现微泄漏预测的原理在于：
[0051]
燃料电池在停机状态下，氢系统的瓶口组合阀111和管路的电磁阀4关闭，燃料电池端无氢气消耗，正常氢系统的高压压力和低压压力应稳定在一定范围，由于温度变化会影响氢气压力值，若氢系统温度变化在某一范围内，可通过监测低压侧的压力p
l1
和上次的记录值p
l0
的差值，来判断氢系统是否发生微泄漏，若差值较小，则认为无微泄漏；若差值较大，则认为存在微泄漏，根据比较差值的大小，进行相应泄漏一级或二级故障上报即可。
[0052]
(2)燃料电池车运行中的泄漏故障监测
[0053]
燃料电池运行状态下，浓度传感器实时监测整车各位置的氢气浓度c，氢系统和燃料电池系统气密性正常情况下，各位置的氢气浓度c读数应小于1000，当该值满足设定浓度范围，即存在2000＜c＜氢泄漏报警阈值时，记录出现次数n＝1，同一燃料电池运行周期内不重复计数，若至少连续两个燃料电池运行周期内出现2000＜c＜氢泄漏报警阈值，即n≥2时，判断存在氢气泄漏，上报该故障。
[0054]
本发明的燃料电池汽车氢系统的泄漏预测方法具有以下优点：
[0055]
(1)通过检测燃料电池关闭时氢系统的初始低压压力、初始温度、初始高压压力，然后在本次停车过程中和下次车辆上电后，都能够通过实时检测氢系统当前时刻的低压压力和温度，在当前时刻温度与初始时刻温度差距不大的情况下，能通过比较当前时刻的低压压力值和初始低压压力值的大小，可靠的判断车辆是否发生氢气微泄漏；解决燃料电池停机或车辆长时间停放后氢气产生微泄漏无法检测的问题。
[0056]
(2)还可以通过检测燃料电池关闭时氢系统的初始温度、初始高压压力，计算初始
氢气剩余质量，然后实时检测氢系统当前时刻的高压压力和温度，计算当前时刻的氢气剩余质量，比较当前时刻的氢气剩余质量与初始氢气剩余质量，判断是否发生氢气微泄漏。两种判断方法中的任一种都能判断出微泄漏故障，增加判断可靠性。
[0057]
(2)检测原理简单，容易实现，相对传统只能检测氢气大幅度泄漏的方法，本发明的方法则进行了较大的改善，解决燃料电池车辆泄漏氢气浓度未达到报警阈值时的故障判断，可及时检测氢气的微泄漏故障，降低安全风险，大大提高了车辆安全性，具有较高的市场应用前景。
[0058]
本实施例中，用于检测储氢瓶出口管路处的氢气高压压力的高压压力传感器，用于检测温度的温度传感器，用于检测管路上减压阀后端的氢气低压压力的低压压力传感器，硬件设备均可采用现有的高压压力检测模块、温度检测模块和低压压力检测模块进行可行性替换，并不限定必须为传感器这一种类型。
[0059]
本实施例中，通过判断密闭气体的压力变化和计算氢气质量变化两种方式，监测氢气的微泄漏。作为其他实施方式，还可采用双重校验的方式进行微泄漏预测，例如，当20％≤(p
l1-p
l0
)/p
l0
≤50％，且0.5kg≤(m
1-m0)≤1kg时，判定为氢气泄漏二级故障；当(p
l1-p
l0
)/p
l0
》50％，且(m
1-m0)》1kg时，判定为氢气泄漏一级故障。采用这种双重验证的好处是，保证车辆的安全性的同时，防止微泄漏误判。
[0060]
本实施例中，在判断氢气微泄漏时，采用的是压力差值与低压压力的比值与设定的百分数进行比较，以此作为判断依据，但是，该判断方式并不唯一，作为其他实施方式，还可以直接采用压力差值与一个设定压力限值进行比较，例如，将压力差值分别与20％p
l0
、50％p
l0
进行比较，当压力差值在[20％p
l0
，50％p
l0
]之间时，则报出氢气泄漏二级故障；当压力差值大于50％p
l0
时，则报出氢气泄漏一级故障。
[0061]
装置实施例：
[0062]
本实施例提供了一种燃料电池汽车氢系统的泄漏预测装置，包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现方法实施例中的泄漏预测方法，由于该方法在方法实例中的记载已经足够清楚、完整，本实施例不再赘述。
[0063]
也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现泄漏预测方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
[0064]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。